中國科大研制出基于細菌纖維素的高性能納米纖維固體酸催化劑

由于具有安全、綠色、腐蝕性小、易于回收等諸多優點，固體酸催化劑(SACs)逐漸取代傳統液體酸催化劑，在各類化工生產中發揮著重要作用。目前固體酸催化成為酸催化領域的重要研究方向，受到研究人員的廣泛關注。傳統的SACs存在酸密度低、穩定性差、成本較高及催化性能有待提高等缺點。近年來，研究人員相繼開發出了一系列新型SACs，并展現出良好的應用前景。其中較為突出的是日本東京工業大學Hara等人發展的碳水化合物衍生的磺化碳基材料，這類固體酸催化劑對親水性反應展示出良好的催化性能。然而，該類材料的比表面積和孔隙率低，制約其在疏水性反應中的應用。因此，開發出具有高SO3H位點、多孔納米結構和高比表面積的碳基材料，來同時保證其既適用于親水和疏水反應，也適用于其他重要反應的新型SACs顯得十分迫切。但是，迄今為止這仍然是一個巨大的挑戰。

近日，中國科學技術大學俞書宏教授和梁海偉教授研究團隊發展了一種簡單有效的宏量制備方法，研制了基于價廉的細菌纖維素的一類新型納米纖維固體酸催化劑材料，探究了此類納米纖維固體酸催化劑在幾種重要化學工業催化反應中的應用前景，相關研究結果以 “Natural Nanofibrous Cellulose-Derived Solid Acid Catalysts” 為題， 發表在《Research》上（Research 2019,DOI:10.34133/2019/6262719）。這種新型固體酸催化劑可通過不完全碳化和磺化天然納米纖維素來制備。由于該制備工藝簡單、成本低廉，因此易于推廣使用。更為重要的是，制備的SACs保留了天然纖維前驅物的三維納米纖維網絡結構，具有較高的比表面積 (高達837m2/g)和大孔容(可達0.92cm3/g)。此外，高效的磺化工藝使該納米纖維具有豐富的Br?nsted酸位點，包括-SO3H基團(高達2.42mmol/g)以及羥基(-OH)和羧基(-COOH)基團(總酸密度高達 3.88mmol/g)。

在一系列重要的酸催化反應中，包括α-甲基苯乙烯的二聚反應(疏水性反應)、油酸的酯化反應(親水性反應)和頻哪醇重排反應(酸強依賴性反應)，這種新型SACs的催化性能均優于目前通用的固體酸催化劑，甚至在某些情況下性能優于經典的液體酸催化劑H2SO4。此外，該新型SACs在其他重要反應中也展現出卓越的性能，如β-烯酮/酯的合成和硝基苯還原等。

該研究表明，今后有望利用廉價生物質細菌纖維素來制備高效納米纖維固體酸催化劑。這種新型納米纖維SACs因其制備工藝簡單、原料低廉易得，可以實現規模化生產，有望在化工領域推廣使用。此外，該方法體系可以拓展到價格更加低廉的木材基納米纖維來制備高效的新型SACs，同時也可推廣到其他SACs體系，如磷酸化SACs等。因此，為進一步開發基于納米結構生物質材料的綠色、可持續、高效的催化劑提供了新的思路。